TY - THES

T1 - Einfluss der Rotationsparameter auf die Erstarrungsbedingungen bei mechanischem Rühren

AU - Holzgruber, Thomas Michael

N1 - gesperrt bis 20-03-2029

PY - 2024

Y1 - 2024

N2 - Stähle erstarren unter technischen Bedingungen, wie sie beim Block- und Stranggießen vorkommen, nahe der Oberfläche gerichtet dendritisch, das heißt, mit bevorzugter Wachstumsrichtung, entgegengesetzt zum Wärmestrom und unter Bildung von tannenbaumartigen Primärkristallen und nahe dem Kern üblicherweise aufgrund der vorherrschenden Erstarrungsbedingungen ungerichtet globulitisch. Dieses dendritische Wachstum kann zu Gunsten ungerichtet globulitischen Wachstums, infolge von Konvektionsströmungen verursacht durch Rühren, zurückgedrängt werden. Generell führt eine Fluidströmung auch zur Verringerung von Seigerungen und Porositäten infolge eines höheren Anteils globulitischer Erstarrungsstruktur. Aktueller Stand der Technik beim Stranggießen von Stahl ist das mittlerweile weit verbreitete elektromagnetische Rühren (EMS-System). Bei der Produktion sehr großer Dimensionen stößt dieses allerdings technisch an seine Grenzen, da zum Erzielen einer ausreichenden Rührwirkung extrem hohe elektrische Leistungen installiert werden müssen, insbesondere wenn man eine Rührwirkung im Kern erreichen will. Eine andere Variante stellt mechanisches Rühren dar. Thema dieser Masterarbeit ist es den Einfluss der mechanischen Rotationsbedingungen auf die Erstarrungsstruktur zu untersuchen und zu evaluieren, ob ein zumindest ähnlicher oder größerer positiver Effekt wie durch elektromagnetisches Rühren erreichbar ist. Der große Vorteil des mechanischen Rühreffekts im Vergleich zum EMS-System liegt darin, dass es an jeder Stelle im Strang oder Block zu einer erzwungenen Konvektion an der Fest-Flüssig-Grenzfläche über die gesamte Länge, unabhängig der Größendimensionen, bis ins Zentrum kommt. Im praktischen Teil wurden zwei Versuchsreihen mit zwei unterschiedlichen Werkstoffen und insgesamt zwölf Versuchen durchgeführt. Die Versuche unterschieden sich in Rotationsart (nicht rotierend, kontinuierlich rotierend, alternierend rotierend), Rotationsgeschwindigkeit und Periodendauer. Zumal sowohl Abstichtemperatur als auch Überhitzung bei allen Versuchen gleich waren, konnte der Einfluss der beiden Rotationsparameter Geschwindigkeit und Periodendauer hervorragend herausgearbeitet werden. Die Schmelzversuche wurden in Zusammenarbeit mit der Firma INTECO melting and casting GmbH am Lehrstuhl für Eisen- und Stahlmetallurgie auf der Montanuniversität Leoben abgewickelt. In der ersten Versuchsreihe wurde der Werkstoff 1.4301 untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass bei allen fünf Versuchen der erhoffte Effekt des Rotierens auf die Bildung einer globulitischen Zone ausblieb. Dies lässt sich darauf zurückführen, dass der Austenit, unabhängig davon, ob der Primärferrit globulitisch oder kolumnar gebildet wird, ein kolumnares Korn bildet. Die Zusammenschau der gewonnenen Erkenntnisse lässt dennoch den Schluss zu, dass durch alternierendes Rotieren ein deutlich feineres Gefüge als bei den beiden Referenzversuchen eingestellt werden kann. Der größte positive Effekt kann durch die höchste Rotationsgeschwindigkeit und niedrigste Periodendauer erzielt werden. Um die Ergebnisse der ersten Versuchsreihe zu verifizieren und den Einfluss des Rotierens auf die Bildung einer globulitischen Zone analysieren zu können, war eine zweite Versuchsreihe notwendig. In der zweiten Versuchsreihe wurde der Werkstoff 1.4547 untersucht. Im Unterschied zur ersten Versuchsreihe kommt es bei der zweiten Versuchsreihe schon bei den beiden Referenzversuchen erwartungsgemäß zur Ausbildung einer globulitischen Zone mit groben Körnern im Zentrum. Infolge des alternierenden Rotierens sind sowohl eine erhebliche Verbesserung der Makrostruktur als auch ein sehr feines globulitisches Gefüge der Rundscheiben und Längsproben festzustellen. Der größte positive Effekt ¿ hoher Anteil an globulitischer Erstarrung, kein Auftreten von Rührstreifen und Porositäten ¿ wird durch die niedrigste Rotationsgeschwindig

AB - Stähle erstarren unter technischen Bedingungen, wie sie beim Block- und Stranggießen vorkommen, nahe der Oberfläche gerichtet dendritisch, das heißt, mit bevorzugter Wachstumsrichtung, entgegengesetzt zum Wärmestrom und unter Bildung von tannenbaumartigen Primärkristallen und nahe dem Kern üblicherweise aufgrund der vorherrschenden Erstarrungsbedingungen ungerichtet globulitisch. Dieses dendritische Wachstum kann zu Gunsten ungerichtet globulitischen Wachstums, infolge von Konvektionsströmungen verursacht durch Rühren, zurückgedrängt werden. Generell führt eine Fluidströmung auch zur Verringerung von Seigerungen und Porositäten infolge eines höheren Anteils globulitischer Erstarrungsstruktur. Aktueller Stand der Technik beim Stranggießen von Stahl ist das mittlerweile weit verbreitete elektromagnetische Rühren (EMS-System). Bei der Produktion sehr großer Dimensionen stößt dieses allerdings technisch an seine Grenzen, da zum Erzielen einer ausreichenden Rührwirkung extrem hohe elektrische Leistungen installiert werden müssen, insbesondere wenn man eine Rührwirkung im Kern erreichen will. Eine andere Variante stellt mechanisches Rühren dar. Thema dieser Masterarbeit ist es den Einfluss der mechanischen Rotationsbedingungen auf die Erstarrungsstruktur zu untersuchen und zu evaluieren, ob ein zumindest ähnlicher oder größerer positiver Effekt wie durch elektromagnetisches Rühren erreichbar ist. Der große Vorteil des mechanischen Rühreffekts im Vergleich zum EMS-System liegt darin, dass es an jeder Stelle im Strang oder Block zu einer erzwungenen Konvektion an der Fest-Flüssig-Grenzfläche über die gesamte Länge, unabhängig der Größendimensionen, bis ins Zentrum kommt. Im praktischen Teil wurden zwei Versuchsreihen mit zwei unterschiedlichen Werkstoffen und insgesamt zwölf Versuchen durchgeführt. Die Versuche unterschieden sich in Rotationsart (nicht rotierend, kontinuierlich rotierend, alternierend rotierend), Rotationsgeschwindigkeit und Periodendauer. Zumal sowohl Abstichtemperatur als auch Überhitzung bei allen Versuchen gleich waren, konnte der Einfluss der beiden Rotationsparameter Geschwindigkeit und Periodendauer hervorragend herausgearbeitet werden. Die Schmelzversuche wurden in Zusammenarbeit mit der Firma INTECO melting and casting GmbH am Lehrstuhl für Eisen- und Stahlmetallurgie auf der Montanuniversität Leoben abgewickelt. In der ersten Versuchsreihe wurde der Werkstoff 1.4301 untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass bei allen fünf Versuchen der erhoffte Effekt des Rotierens auf die Bildung einer globulitischen Zone ausblieb. Dies lässt sich darauf zurückführen, dass der Austenit, unabhängig davon, ob der Primärferrit globulitisch oder kolumnar gebildet wird, ein kolumnares Korn bildet. Die Zusammenschau der gewonnenen Erkenntnisse lässt dennoch den Schluss zu, dass durch alternierendes Rotieren ein deutlich feineres Gefüge als bei den beiden Referenzversuchen eingestellt werden kann. Der größte positive Effekt kann durch die höchste Rotationsgeschwindigkeit und niedrigste Periodendauer erzielt werden. Um die Ergebnisse der ersten Versuchsreihe zu verifizieren und den Einfluss des Rotierens auf die Bildung einer globulitischen Zone analysieren zu können, war eine zweite Versuchsreihe notwendig. In der zweiten Versuchsreihe wurde der Werkstoff 1.4547 untersucht. Im Unterschied zur ersten Versuchsreihe kommt es bei der zweiten Versuchsreihe schon bei den beiden Referenzversuchen erwartungsgemäß zur Ausbildung einer globulitischen Zone mit groben Körnern im Zentrum. Infolge des alternierenden Rotierens sind sowohl eine erhebliche Verbesserung der Makrostruktur als auch ein sehr feines globulitisches Gefüge der Rundscheiben und Längsproben festzustellen. Der größte positive Effekt ¿ hoher Anteil an globulitischer Erstarrung, kein Auftreten von Rührstreifen und Porositäten ¿ wird durch die niedrigste Rotationsgeschwindig

KW - mechanical stirring

KW - rotating ingot

KW - alternating rotation

KW - solidification structure

KW - mechanisches Rühren

KW - rotierender Block

KW - alternierende Rotation

KW - Erstarrungsstruktur

M3 - Masterarbeit

ER -